抗生素

生物降解2021/5/91

抗生素是由微生物產生的在低濃度下能抑制或滅殺其他微生物的一類化學物質。目前被廣泛使用的抗生素，按照化學結構可分為內酰胺類、喹諾酮類、四環素類、氨基糖苷類、大環內酯類、磺胺類等。

抗生素概述2021/5/92抗生素的應用和危害長期以來，抗生素被大量地用于人和動物的疾病治療，并以亞治療劑量添加于動物飼料中，以預防動物疾病和促進其生長。但絕大部分抗生素不能完全被機體吸收，約有90%的抗生素以原形或者代謝物形式經由病人和畜禽的糞,尿排入環境，經不同途徑對土壤和水體造成污染。目前,抗生素污染問題已經被許多發達國家(如歐盟和美國)列為重要的環境問題，相關的基礎研究正在迅速得到開展。2021/5/93抗生素的來源及暴露途徑

由于抗生素主要用于醫療和畜牧,所以環境中的抗生素主要來源醫用藥物和農用藥物兩個途徑。2021/5/94醫用抗生素主要來源①經由病人糞便和尿液排出的處方抗生素；②醫院丟棄的過期抗生素；③殘留在藥瓶和器械上的抗生素；④醫藥企業在生產過程流失的抗生素等。2021/5/95

醫用抗生素污染過程

經排泄物排出的抗生素、治療中殘留的抗生素以及制藥企業流失的抗生素都會經過城市和醫院的下水道進入到城市污水處理廠,由于現有的污水處理技術很難將抗生素徹底清除,一部分抗生素會隨著處理后的廢水進入土壤和水中,而醫院丟棄的過期抗生素會進人垃圾填埋場,如果處理不當,會滲入土壤或地下水中。2021/5/96農用藥物來源途徑①動物養殖中獸藥長期亞劑量使用后,經糞便和尿液排出的抗生素；②水產養殖中獸藥的直接施用；③獸藥生產過程損失和廢棄的獸藥。2021/5/97

農用抗生素污染過程動物糞便和尿液排出的抗生素隨糞便被施入農田,其中一部分直接滲入地下水中,另一部分進入土壤,經雨水淋洗進入河流或湖泊;水產養殖中的抗生素施用后一部分直接進入水體,另一部分被水底淤泥中所吸附,存在于養殖場底泥中;獸藥生產中損失的抗生素會隨著廢水經由下水道進入城市污水處理廠,而廢棄的獸藥可能被當作垃圾填埋,如果處理不當，最終會進入土壤甚至地下水中。2021/5/98

環境中抗生素殘留的潛在風險

抗生素在環境中的濃度普遍較低,一般在μg/L級,有的甚至低至μng／L級,但仍然可能對環境存在風險。如某些POPs物質,在環境中的濃度和抗生素相當,但是它的雌激素效應卻造成人類生殖率降低,不孕癥增加等。所以,對于之前由于其預期環境濃度較低而一直認為安全可靠的物質要引起重視,它們有可能對環境構成潛在的威脅。2021/5/99潛在風險的主要表現(1)誘導耐藥性細菌。(2)對環境中微生物產生影響。(3)對植物生長發育產生影響。(4)食品和飲用水中抗生素對人類健康的威脅。2021/5/910

誘導耐藥性細菌

大量的研究表明,抗生素的使用能誘導病原菌產生耐藥性,特別是由于長期大劑量的在飼料中添加抗生素,導致產生了一些能夠抵抗強力抗生素的病原菌,這些病原菌珠的出現,對人和動物的健康都極具威脅。另外，抗生素能夠導致耐藥基因的產生，而耐藥基因又可以在同的細菌間傳遞，一旦這些耐藥基因轉移給致病菌，就更增加了對人類健康的威脅。2021/5/911對環境中微生物的影響

抗生素的作用就是抑制某類病菌的生長，在水體及土壤中不具耐藥性的菌株被抗生素殺死，而具耐藥性的優勢菌得以大量繁殖，因此長期低濃度抗生素的存在對微生物群落有一定的影響，并且該影響可通過食物鏈對高級生物發生作用，從而破壞了生態系統的平衡。2021/5/912

對植物生長發育的影響抗生素隨動物的糞尿和城市污水施人農田，對農田植物的生長發育產生影響。如0.009-0.012mg／L四環素的動物糞便對猩猩木的液體培養物產生毒害；300-900mg／L的磺胺地索辛能明顯抑制車前草、玉米等作物的生長,并在植物的根部和葉中富集,根部的濃度較高；土霉素和氯四環素減少了雜色豆植株的生節、鮮重，并影響其對鈣、鉀和鎂的吸收。而抗生素對植物生長發育的影響與其化學性質、使用劑量、土壤吸附能力及植物的品種有關。2021/5/913對人類健康的威脅

抗生素長期作為添加劑大量用于畜牧生產，導致抗生素在動物食品肉、蛋、奶中殘留,人食用后,抗生素就會沿食物鏈傳遞到人,一方面會引起人群的過敏反應,嚴重時會造成食物中毒;另一方面,部分藥物還具有致癌、致畸、致突變或激素類作用,嚴重干擾人類各項生理功能,威脅人類健康。2021/5/914

抗生素一旦進入環境就會擴散到壤、水和空氣中，一般會經過吸附、水解、光解和微生物降解一系列生物轉化過程，這些過程直接影響抗生素對環境的生態毒性。

抗生素在環境中的歸趨2021/5/915吸附

吸附反映了抗生素與水體有機質或土壤沉積物的相互作用，并可預測抗生素對環境的影響程度。一般來說，吸附能力強的抗生素，在環境中較穩定，容易積蓄；部分抗生素不與固相物質結合，吸附能力較弱，在淋洗作用下很容易被淋洗到附近的河流中，到達水環境，進而對地下水構成威脅。抗生素的吸附能力因其化學結構、理化性質、土壤類型和環境條件的不同而不同。2021/5/916降解

抗生素在環境中可能發生水解、光降解和微生物降解等一系列降解反應，但視環境條件的不同，抗生素會發生一種或多種降解反應。一般來說，降解過程會降低抗生素的藥效，但有些抗生素的降解產物可能比抗生素本身的毒性還強。2021/5/917

水解是水體中抗生素降解的一種重要方式，六大類主要抗生素中內酰胺類、大環內酯類和磺胺類抗生素易水解，但是大環內酯類和磺胺類抗生素在中性pH值條件下水解很慢。

光降解是在能接受到光照的水體表層中的抗生素降解的另一種重要途徑，喹諾酮類和四環素類抗生素比較容易發生光降解。

生物降解是在有生物的作用下發生的降解反應，它也是抗生素降解的主要方式。2021/5/918抗生素的生物降解

生物降解是抗生素在環境中降解的最重要的途徑。被生物降解的抗生素，可能轉化為生物體的組成部分或是最終轉化為沒有生物毒性的無機或有機小分子。生物降解主要有植物降解和微生物降解兩種方式。2021/5/919植物降解機制

植物具有龐大的葉冠和根系,在水體或土壤中與環境之間進行著復雜的物質交換和能量交換,在維持生態環境的平衡中起著重要作用。植物修復受污染的水土環境主要有3種機制：

①植物直接吸收有機污染物后轉移或分解；

②植物釋放分泌物和特定酶降解土壤環境中的有機污染物；

③植物促進根際微生物對土壤環境中有機污染物的吸收或利用轉化。2021/5/920植物降解

被植物直接吸收的污染物主要有:氮、磷等植物營養物質；對水生生物有毒害作用的某些重金屬和有機物等。第一類是被吸收后用以合成植物自身的結構組成物質，第二類則是脫毒后儲存于體內或在植物體內被降解。氟喹諾酮類、磺胺類和氯四環素等可直接被植物吸收。2021/5/921

微生物降解是現階段處理抗生素污染的最理想的方法。光合菌、乳酸菌、放線菌、酵母菌、發酵絲狀菌、芽孢桿菌、枯草桿菌、硝化細菌、酵母等都具有抗生素的降解功能。微生物降解2021/5/922抗生素生產廢水好氧處理工藝2021/5/923厭氧處理

厭氧處理高濃度的有機廢水是較可行的方，與好氧處理相比，厭氧法在處理高濃度有機廢水方面通常有以下優點：

①有機負荷高；

②污泥產率低，產生的生物污泥易于脫水；

③營養物需要量少；

④不需要曝氣，能耗低；

⑤可以產生沼氣、回收能源：

⑥對水溫的適宜范圍較廣；

⑦活性厭氧污保存時間長。2021/5/924抗生素生產廢水厭氧處理工藝2021/5/925厭氧好氧生物處理組合工藝在實際廢水處理中，由于單獨好氧處理或單獨厭氧處理都存在自身難以克服的缺點而難以滿足出水達標排放的要求。因而從80年代開始，厭氧好氧生物處理組合工藝逐漸成為主導工藝。采用厭氧好氧工藝不僅克服了好氧工藝的高能耗、高運轉費用及稀釋水量大等特點，也克服了厭氧處理出水不能達標排放的缺點，在經濟和技術上都是可行的。2021/5/926抗生素生產廢水厭氧好氧生物組合處理工藝2021/5/927微生物降解機理

抗生素的微生物降解是指在微生物作用下，使抗生素殘留物的結構發生改變，從而引起其化學和物理性質發生改變，即通過將抗生素殘留物從大分子化合物降解為小分子化合物，最后成為H2O和CO2。實現對環境污染的無害化處理的過程，其中耐藥細菌起最重要的作用。2021/5/928耐藥菌的作用機制

耐藥菌直接破壞和修飾抗生素而使其失活，包括水解、基團轉移和氧化還原3種機制.許多抗生素含有易水解的敏感化學鍵(如酯鍵和酰胺鍵)，耐藥菌含有消除這些脆弱化學鍵的酶而摧毀這些抗生素的活性。這其中主要的一類酶是可以消除青霉素和頭孢菌素類藥物內酰胺環的酰胺酶。另外，還有與大環內酯類藥物耐藥性有關的酯酶及磷霉素耐藥性有關的開環環氧化酶。2021/5/929耐藥菌的基因轉移作用基團轉移有多種途徑，包括：①乙酰基轉移修飾。通過對羥基或酰胺基等活潑基團的共價修飾導致化合物失去靶點結合能力從而失活。乙酰轉移是細菌使抗生素失活的常用機制，見于氨基糖苷類抗生素。②磷酸化。氨基糖苷類，大環內酯類的紅霉素和肽類抗生素硫酸酯霉可通過這種機制降2021/5/930基因轉移作用③糖基化。見于大環類酯類。④核苷酸化。見于林可霉素和克林霉素。⑤核糖基化。見于含氨基酸殘基的抗生素。⑥巰基轉移，如磷霉素。氧化還原機制不多見，四環素可被耐藥性酶TetX氧化。2021/5/931影響微生物降解的因素(1)pH、水分和溫度。(2)氧氣。(3)環境介質。(4)環境中其他抗生素的存在。2021/5/932PH、水分和溫度環境的酸堿度和溫度影響微生物對營養物質的吸收和生長代謝，進而改變微生物的生長狀況。對大多數細菌而言，pH為6．5～8．5，溫度為25℃～45℃時有較高的生物活性。微生物進行代謝活動時需要有足夠的水分。微生物的呼吸方式不同對水分的需求也不一樣。在海洋、淡水和含水層中，微生物不會因缺水而受到限制，但在土壤中的水分有時會成為限制因素。2021/5/933氧氣

微生物具有好氧、厭氧、兼性好氧多種代謝途徑，微生物可以在好氧或厭氧的條件下都可以發揮作用。環境中需氧菌生長速度快，降解作用明顯。人們在處理抗生素廢水時，常采用活性污泥法、固定床生物膜法、生物流化床法和生物轉盤法等好氧降解法。2021/5/934環境介質環境中抗生素常被其他介質如土壤包被，這些介質影響著抗生素與微生物的接觸和微生物的生長狀態。固定化顆粒半徑愈小，降解速度愈快。在固定化顆粒內，氧濃度隨著顆粒半徑的減少而迅速下降；當顆粒半徑為3mm時，粒子中心的0mm～0.8mm范圍內的微生物處于缺氧狀態甚至厭氧狀態。2021/5/935環境中其他抗生素的存在

在同一區域往往不只受一種抗生素的污染。如養殖場、醫院附近環境中，常同時存在多種抗生素。這些抗生素能夠抑制或殺死具有降解作用的微生物,從而抑制其它抗生素的降解。2021/5/936

抗生素的環境污染及其生態毒理效應已成為我國乃至全球所面臨的重大環境